特殊螺紋油管接頭密封性能及密封判據(jù)分析

韓 鑫，孟 琪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著深井超深井、高溫高壓氣井、含腐蝕介質(zhì)氣井、熱采井等復(fù)雜惡劣工況下油氣開發(fā)日益增多，油管特殊螺紋接頭已得到廣泛應(yīng)用。目前，特殊螺紋接頭的種類繁多，根據(jù)其密封結(jié)構(gòu)可分為錐面-錐面、錐面-球面、球面-球面，其中，錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭是較為常見的。國內(nèi)外學(xué)者通過不同的方法研究，高連新等通過理論計算與有限元相結(jié)合研究特殊螺紋接頭的受力和變形，得到變螺距的方法能夠減小螺紋端應(yīng)力集中，進而提高特殊螺紋接頭的密封性能[1]；曹銀萍等通過有限元分析特殊螺紋接頭在內(nèi)壓與軸向力復(fù)合載荷作用下的應(yīng)力分布，提出密封面具有足夠的接觸壓力，就不會影響其密封性能[2]；竇益華等通過三維有限元法分析交變載荷作用下特殊螺紋接頭的密封性能，研究表明交變載荷作用下，特殊螺紋接頭密封性能會受到較大影響[3-4]?，F(xiàn)階段對于特殊螺紋接頭的研究，主要通有限元以及實驗驗證的方法研究特殊螺紋接頭連接強度及密封特性，對于密封判據(jù)的研究相對較少。因此，本文通過建立某錐面-錐面特殊螺紋接頭的三維有限元模型，通過ABAQUS有限元軟件研究其在復(fù)雜載荷作用下的密封面接觸壓力的分布規(guī)律，依據(jù)有限元計算結(jié)果，得出準確的平均接觸壓力值，然后采用密封臨界指數(shù)判斷密封可靠性，得出平均接觸壓力與擬密封壓力間的關(guān)系，以此判斷特殊螺紋接頭密封。

1 特殊螺紋接頭密封機理

特殊螺紋接頭主要是通過密封面接觸來控制內(nèi)部流體的壓力。依據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，內(nèi)部流體壓力的大小和局部阻力息息相關(guān)，而局部阻力主要取決于特殊螺紋接頭密封面泄露直徑的長度與間隙面積，當(dāng)間隙截面積較小，接觸壓力就越大。

2 特殊螺紋接頭有限元建模及上扣模擬

以Φ88.9mm×6.45mm P110某特殊螺紋接頭為研究對象，運用ABAQUS軟件進行分析。運用參照特殊螺紋接頭螺紋參數(shù)，建立其三維模型，運用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，采用C3D8R六面體縮減積分單元，由于密封面為本文主要研究對象，故對密封面以及臺肩進行網(wǎng)格細化處理，保證收斂速度的同時提高計算精度。網(wǎng)格劃分如圖1，為了分析密封面上接觸壓力的分布規(guī)律，需建立密封面-臺肩面接觸對，采用點對面的離散方式，將滑移屬性設(shè)置為有限滑移，將接箍的端面設(shè)置為固支約束，同時在公扣端面的中心創(chuàng)建參考點，并且將此參考點與公扣端面約束設(shè)置為耦合，以便載荷的施加。

圖1 特殊螺紋接頭網(wǎng)格劃分示意圖

首先需研究在最大上扣扭矩作用下特殊螺紋接頭整體應(yīng)力分布情況，通過有限元計算，可得特殊螺紋接頭受力（如圖2所示），最大Mises出現(xiàn)在臺肩處，值為763.3MPa，在臺肩以及螺紋末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，提取螺紋端的等效應(yīng)力，研究螺紋端結(jié)構(gòu)完整性，從螺紋始端開始對螺紋牙進行編號1-12，在最大上扣扭矩作用下螺紋牙的Mises等效應(yīng)力如圖3，Miss應(yīng)力均未超過材料的屈服強度，螺紋端并未發(fā)生塑性變形，此時模型結(jié)構(gòu)完整。

圖2 Mises應(yīng)力分布云圖

3 特殊螺紋接頭密封性能分析

為了進一步分析特殊螺紋接頭密封性能，需研究特殊螺紋接頭在不同工況條件下的密封特性，取三種不同的工況條件，分別是特殊螺紋接頭在最大上扣扭矩作用下，施加800kN拉力；施加80MPa內(nèi)壓以及上扣扭矩、拉力以及內(nèi)壓載荷復(fù)合作用下的密封特性。在特殊螺紋接頭密封面-臺肩面取12個節(jié)點，在不同載荷作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化規(guī)律如圖4。沿密封面路徑方向，接觸壓力減小，在臺肩面處接觸壓力變化較小，主要起輔助密封的作用。僅在上扣扭矩作用時，平均接觸壓力為500MPa，密封面接觸長度為0.75mm；加入拉力作用后，平均接觸壓力為300.3MPa，密封面接觸長度為0.6mm；加入內(nèi)壓作用后，平均接觸壓力為333.3MPa，密封面接觸長度為0.67mm；在三種載荷符合作用時，平均接觸壓力為366.7MPa，密封面接觸長度為1.11mm。在密封面上接觸壓力變化幅度較大的點發(fā)生在節(jié)點2處，沿節(jié)點2所在的面，取其圓周環(huán)向路徑，研究特殊螺紋接頭密封面在此處接觸壓力變化規(guī)律。

圖3 螺紋端Mises應(yīng)力曲線

圖4 密封面-臺肩面接觸壓力曲線

由圖5可知，在拉力作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化不大，拉力對特殊螺紋接頭密封性能影響較??；再加入內(nèi)壓之后，接觸壓力變化較大且成遞增趨勢，內(nèi)壓在一定范圍內(nèi)有助于接頭密封。

4 特殊螺紋接頭密封判據(jù)研究

對于錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的特殊螺紋接頭，是基于密封接觸能機理對其進行評價。密封接觸能理論認為，特殊螺紋接頭的密封性能是通過密封接觸強度來表示，密封接觸強度定義為密封接觸應(yīng)力在有效密封長度上的線積分。

其中：fs為密封接觸強度；lel為有效密封接觸長度；Pc為接觸應(yīng)力。MURTAGIAN通過研究密封面接觸應(yīng)力與密封性能[5]，將密封指數(shù)定義為：

其中：L為密封接觸長度；n為相關(guān)性指數(shù)，當(dāng)使用密封脂時，n=1.2，當(dāng)未使用密封脂時，n=1.4。Xie通過有限元分析對金屬密封進行進一步研究，當(dāng)極限泄露速度為0.025cm3/15min時，提出高溫高壓井臨界密封指數(shù)為：

其中：Pa為大氣壓力；PP為擬密封氣體壓力。

要使得特殊螺紋接頭不發(fā)生泄露，必須滿足W≥Wac。分別取密封氣體壓力為 50MPa，60MPa，70MPa，80Mpa，90MPa，100MPa，計算出對應(yīng)的臨界密封指數(shù)，如表1。

表1 臨界密封指數(shù)

在此選取氣密封壓力為 50MPa，70MPa，100MPa做平均接觸壓力與密封接觸長度關(guān)系圖，如圖6。當(dāng)接觸長度較大時，需要的接觸壓力較小，要使得特殊螺紋接頭不發(fā)生泄漏，平均接觸壓力與密封接觸長度組合的點應(yīng)位于曲線上方，因此氣密封壓力為50MPa，進而得出密封面平均接觸壓力為氣密封壓力的5.5～6倍，盡量增大密封面接觸長度，可以以此來判斷特殊螺紋接頭密封完整性。

圖5 節(jié)點2處環(huán)向路徑接觸壓力曲線

圖6 接觸壓力-接觸長度關(guān)系圖

5 結(jié)論

特殊螺紋接頭在上扣后，應(yīng)力分布比較合理，靠近螺紋端的密封面上接觸應(yīng)力較大，主要起分擔(dān)載荷的作用。在拉伸載荷作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變化不大，接觸長度變短，使得特殊螺紋接頭密封性能降低；在壓力作用下，特殊螺紋接頭接觸壓力變大，接觸長度變長，內(nèi)壓在一定范圍內(nèi)有助于特殊螺紋接頭密封。因此，為了保證特殊螺紋接頭密封性，需要合理控制上扣扭矩，同時避免環(huán)空帶壓，確保特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)合理性，從而提高特殊螺紋密封性能。依據(jù)金屬密封接觸能理論，當(dāng)特殊螺紋接頭密封面平均接觸壓力為氣密封壓力的5.5倍，具有較長的密封長度，此時，特殊螺紋接頭具備較好密封性，可以以此來判斷特殊螺紋接頭密封性能。